HiPIMS靶材濺射速率

引言

HiPIMS由于高峰值電流及其高離化率，可以得到性能優(yōu)異的致密膜層，伴隨而來的HiPIMS濺射速率也會相對更低，本文將分析HiPIMS濺射速度低的原因及可能的改進方法。

點睛

1)HiPIMS濺射速率相對于DCMS濺射速率，離化率越高的靶材其濺射速率下降越快

2)HiPIMS濺射碳靶材，由于離化率低，濺射速率下降不大，而像Cu和Cr金屬靶，HiPIMS下離化率越高，其自持濺射越高，濺射速率相對于越低。

內(nèi)容

HIPIMS的濺射速率由濺射靶材，脈沖結(jié)構(gòu)，反應(yīng)濺射模式還有非反應(yīng)濺射模式?jīng)Q定，在相同平均功率情況下HiPIMS濺射速率是DCMS濺射速率的15%-120%，如表1統(tǒng)計所示。從表1看，HiPIMS濺射速率相對DC濺射其速率普遍偏慢。

表1、不同材料濺射時HiPIMS與DCMS沉積速率比[1]

為理解HiPIMS濺射速率的減慢，需要關(guān)注濺射過程中兩個階段：A、等離子體和靶材的相互作用，即對靶材刻蝕速度影響，B、濺射離化物從靶材表面到基底表面的運輸過程。等離子體與靶材相互作用：由于HiPIMS陰極的電壓范圍為400-2000V，而DCMS的電壓300-400V，意味著相同功率的情況下，HPPMS的平均電流會更小，將導(dǎo)致濺射靶材的離子流將減少，因而帶來靶材刻蝕速率下降。在離子運輸階段：HiPIMS獲得的高離化率，將增加離化的金屬離子重新朝向靶材運輸而不是基底，即將有一部分離子在self-sputter，在等離子體區(qū)域自我放電狀態(tài)。

為理解自持放電（self-sputter），測試不同靶材的在HiPIMS作用下的轟擊靶材離子的成分，部分來自氬離子，部分來自靶材離子，如下表2所示。從中可以看到，以C靶材為例，在濺射中以Ar+為主，在離子流中不能存在C+主要是因為C的濺射產(chǎn)額太低，和C的離化勢能比較高。同樣低的濺射產(chǎn)額，導(dǎo)致低的濺射粒子流動，導(dǎo)致氣體稀釋現(xiàn)象降低。而Cr和Cu靶材由于濺射產(chǎn)額高及其離化率高，轟擊靶材除Ar+之外，有接近一半的金屬離子轟擊。

由于不同材料的離化率不同，導(dǎo)致HiPIMS濺射中C的濺射速率不會偏離，而Cr和Cu則由于self-sputter自持濺射的存在導(dǎo)致HiPIMS濺射中低的濺射速率。

表2、500ev入射粒子下轟擊靶面的氬離子與自濺射金屬離子比例[2-3]

總結(jié)

1)HiPIMS濺射速率相對與DCMS濺射速率，離化率越高的靶材其濺射速率下降越快。

2)在長脈寬下，金屬放電會進入自持放電模式可以增加離子種類和數(shù)量；像碳等高離化能材料，即使在長脈寬下也不能增加離化，濺射速率下降不明顯。